善用既有IP組合　SoC整合HDMI事半功倍

雖然當初高畫質多媒體介面(HDMI)是針對採用AC交流電的大型家庭劇院設備所設計的元件，如DVD播放機、有線電視與衛星電視機上盒等；然而現在也有愈來愈多可攜式裝置，包括數位錄影機、數位相機、照相手機與MP3/可攜式媒體播放器(PMP)等，開始透過HDMI連接器連接電視，來達到最佳的內容播放效果。因此，目前已有矽智財(IP)供應商推出新的HDMI 1.3 TX/RX介面IP(控制器+PHY)協助系統晶片(SoC)設計人員整合HDMI介面，而毋須採用獨立IC，以因應這些新型低功耗可攜式應用的HDMI需求。

雜訊干擾極低有助高畫質重現
 

HDMI只要透過單一連接器，就能同時提供視訊、聲音、控制訊號與數位版權管理(DRM)等功能。在現今的電視上，HDMI較傳統類比連接方式效果更佳，類比連接方式雖然還很盛行，但已被逐步淘汰，這些連接方式包括由紅、綠與藍三個獨立連接器組成的色差視訊、採用mini-DIN式連接器的S-video，以及採用單一黃色連接器的組合視訊。所有類比連接方式的電纜都會受射頻(RF)與電磁波干擾，而且隨著電纜傳送頻率的升高，問題會變得愈來愈嚴重，這情形同時也會發生在高畫質視訊上。
 

採用HDMI的數位技術不容易受到雜訊干擾，因此能提供高畫質訊源所帶來的細膩畫質。此外，HDMI也內建高頻寬數位內容保護(HDCP)的DRM防拷系統，所以得到好萊塢的支持。標準HDMI連接器使用最小化傳輸差分訊號(TMDS)數位通訊技術，可傳輸解析度達1,080p的視訊，並為7.1聲道環繞音效提供八個獨立聲道，再加上一個消費電子控制(CEC)通道，提供控制功能。
 

HDMI之所以成為數位電視上最常見的數位視訊介面，並非浪得虛名。它和壓縮過的數位視訊傳輸不同，電視機只須對HDMI的未壓縮訊號做最少的處理即可，因此電視廠商的設計成本比須利用MPEG-4與H.264解碼者更低。除此之外，由於HDMI傳送的是未額外處理過(Raw)的畫面資訊，可確保最高畫質，完全沒有額外失真。
 

整合HDMI設計為大勢所趨
 

採用標準Type A的HDMI連接器體積較大，是針對家庭影音設備所設計，包括DVD播放器與錄影機；有線電視、衛星電視與網路電視(IPTV)機上盒；遊戲機如Xbox、PlayStation、Wii；影音接收器如調諧器擴大機(Tuner-amplifiers)；以及影音處理裝置。
 

而Type C的HDMI連接器體積較小，於2006年問世，能滿足可攜式應用的需求。例如在開發HD攝影機的時候，如果沒有HDMI，設計人員必須將高畫質訊號傳到個人電腦或其他中介格式，消費者才能看到高畫質訊號。雖然大多數攝影機都有類比複合(Analog Composite)或S-video輸出，但它們只能處理標準畫質視訊，而非高畫質視訊。因此數位攝影機已成為最早採用小型HDMI連接器的產品。
 

數位相機一向也具有類比視訊輸出，但一樣面臨類似的情形。當五百萬到一千萬畫素成為基本規格時，若仍採用不清晰的類比連接方式則不符合需求。即使是照相手機–除最低階手機外–現在通常也擁有一百三十萬到二百萬畫素的影像感測器，產生的細節超過類比數位連接方式能傳送的，更別提五百萬畫素的照相手機。
 

雖然可攜式媒體播放器與可攜式遊戲機的螢幕通常只有標準解析度，最常見的是320×240畫素，但許多裝置都能儲存高畫質影像。此外，音樂愛好者可透過HDMI提供的數位音訊連線，即使在沒有視訊訊號的情形下，也能透過立體音響系統欣賞MP3播放機上的錄音。
 

設計人員從幾年前就已開始運用HDMI積體電路(IC)，它們在高畫質家庭劇院設備中很受歡迎，但這些IC往往仍須占用電路板空間且功耗較高。因此，對大多數消費性電子裝置而言，將HDMI整合至SoC中，已是廣泛接受的做法。
 

65奈米製程符合SoC整合HDMI設計需求
 

要生產各種消費電子產品，SoC已成為體積最小、效率最高的方式。十幾年前設計工程師必須將獨立的IC組裝在連接它們的印刷線路板上，現在可將這些組件的「內容」集中到一塊晶片上，大幅節省空間與降低功耗。這種做法催生了各種可攜式裝置，如手機、相機與媒體播放器，這在採用獨立IC時是根本無法達成的。
 

SoC設計者首先要決定採用哪一種CMOS技術製程節點來進行設計，也就是決定晶片大小。節點的度量單位是奈米(nm)，它指的是SoC電晶體源極(Source)與汲極(Drain)間矽通道的長度。隨著科技進步，這段距離愈來愈短。若根據目前最小的節點如45奈米來進行設計，雖可縮減體積與功耗，但先期開發投資較高。而130奈米與90奈米在前幾年也還很普遍，但目前則以65奈米節點設計，最能符合SoC在開發成本、體積與功耗方面等考量。
 

HDMI介面IP包括兩部分：控制器(處理器)與實體(PHY)層，即與外接裝置的真實連結。而SoC設計運用處理器核心來負責重要的訊號處理，以及記憶體與HDMI等輸入/輸出介面控制。

圖1　HDMI介面包括HDMI控制器與HDMI實體層，提供連接SoC與其他裝置的數種連線方式的其中一種選擇。

在設計新產品時，SoC設計人員並不須要每次都得從頭開始。這就是SoC IP供應商所扮演的角色，即為SoC設計人提供員添加模組功能時所需的IP，如運算處理、記憶體、輸入/輸出控制等。

圖2　目前市場上已有的HDMI介面IP組合。選項A為標準HDMI介面，選項B則提供更便利的整合性，節約功耗與成本，並提供額外自訂功能。

許多IP供應商在數位或是類比IP方面擁有豐富的經驗。但HDMI介面IP供應商則須同時具備這兩方面的專業，尤其在HDMI訊號的基礎類比技術–低電壓差分訊號(LVDS)的經驗更是不可或缺。具備這種條件的IP公司，較能瞭解SoC設計人員的需求，也可特別針對SoC設計人員打造HDMI發射器與接收器IP。這和其他IP供應商利用現有晶片設計重新規劃為IP的方式有所不同。
 

除能提供標準型HDMI介面IP外，有些HDMI介面IP供應商還能提供SoC設計人員多種自訂與選購功能，包括透過APB、AHB或OCP提供直接系統匯流排從式(Slave)介面；透過AHB或OCP提供直接記憶存取(DMA)音訊；包括I²C、SPDIF、One-Bit-Audio與Parallel Audio等多種音訊輸入/輸出選項；RGB來回轉換YCbCr 4:4:4與4:2:2的色彩空間轉換功能；所有CEA-861-D視訊模式的視訊輸入/輸出(達1,080p@60Hz)；以及用以儲存密鑰的外接ROM介面，以提供HDCP加密/解密功能。
 

視需求彈性調整IP組合
 

SoC設計人員可視需要納入或排除HDMI功能，而非採用整套規格，可大幅節約製造與授權成本、功耗與占用空間。例如數位相機SoC不須包括好萊塢電影的HDCP防拷功能，而排除HDCP，能降低閘極數目並節約授權費用。如此一來，功耗的減少也相當可觀，就數位相機應用而言，HDMI發射器功耗可低達55毫瓦，而採用全功能65奈米HDMI發射器最低則僅達145毫瓦。

圖3　HDMI發射器實體層所提供的外部連結裝置

以目前市場設計需求來看，65奈米的HDMI發射器(Transmitter)IP，已可滿足大多數相機與其他可攜式應用的需求。接著問世的將是HDMI接收器(Receiver)IP。未來，則將發展至45奈米節點的HDMI發射器與接收器IP，屆時將可望進一步減少功耗與占用面積。
 

(本文作者為MIPS類比事業群嵌入式周邊元件及數位矽智財部門總監)